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Die Erfindung betrifft Messsystem zur Erkennung und Ortung von Lecks in einem Trinkwasserversorgungssystem, mit in diesem Netz verteilt angeordneten Akustik-Loggern, die mit der Eigenschaft implementiert sind, im Netz auftretende Geräusche zu erfassen und hierfür charakteristische elektrische Signale zu generieren, durch deren datentechnische Verarbeitung, z. B. durch Korrelation von Ausgangssignalen verschiedener Logger, Lecks erkannt und geortet werden können, wobei diese datentechnische Verarbeitung mittels einer elektronischen Verarbeitungseinheit erfolgt, die sich an einem von den Loggern weit entfernten Ort befinden und mit diesen durch drahtlose Übertragungsstrecken funktionell verbunden sein kann.
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Hierbei werden die an den einzelnen Messorten gewonnenen Signale aus Speichern, mit denen die Logger versehen sind, ausgelesen und entweder über Funkübertragungsstrecken in die Verarbeitungseinheit eingegeben oder auf geeigneten Speicherelementen zwischengespeichert und von diesen aus zu der zentralen Verarbeitungseinheit übertragen, welche die korrelierende Verarbeitung zum Zweck der Leckerkennung und Ortung ausführt. Die Zeitbasis für die Geräuschdaten wird hierbei in einem „Radio”-Zeitsignal abgeleitet, d. h. in der Art einer auf Minisekunden genauen Datumsangabe festgehalten, der der jeweilige Amplitudenwert der Messgröße (Geräuschpegel) zugeordnet ist.
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Die mittels des bekannten Messsystems fortlaufend, zweckmäßigerweise während der geräuscharmen Nachtzeiten in großen Mengen generierten Geräuschdaten erlauben eine vielfältig korrelierende Verarbeitung und ermöglichen – im Prinzip – eine weitestgehende Erfassung und Ortung der im Netz vorhandenen Leckstellen. Die Installation eines Messsystems der bekannten Art erfordert allerdings die Bereitstellung großer Speicherkapazitäten und ist auch mit einem erheblichen Aufwand für die Übertragung der Daten zur Verarbeitungseinheit verbunden, da diese Daten von sämtlichen Logger ausgelesen und zur Verarbeitungseinheit übertragen werden müssen, wo erst Prozesse zur Leckerkennung und -lokalisierung durchführbar sind.
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In praxi werden die einzelnen Messstellen mit einem geeignet ausgerüsteten Fahrzeug angefahren, um die in einem Speicher des aufgesuchten Loggers gespeicherten Daten auszulesen, der hierzu seinerseits mit einer kurzreichweitigen Sendeeinrichtung versehen sein muss. Der solchermaßen ausgelesene Speicherinhalt wird entweder in einem geeigneten „Zwischen”-Speicher des Fahrzeuges gespeichert und mit diesem gleichsam körperlich weitertransportiert oder mittels eines weiteren, vergleichsweise leistungsstärkeren Senders zur zentralen Verarbeitungseinheit übertragen.
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Die insoweit geschilderte Vorgehensweise ist umständlich und zeitraubend, da auch zahlreiche Messstellen angefahren werden müssen, die keinerlei Information über Lecks enthalten können, gleichwohl jedoch einer korrelierenden Verarbeitung unterworfen werden müssen, um letztlich die gesuchten Lecks mit zu erfassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messsystem der eingangs genannten Art anzugeben, das mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand realisierbar ist und gleichwohl eine hinreichend genaue Leckerkennung und Leckortung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in mehr in die Einzelheiten gehenden Ausgestaltungen durch die Merkmale der weiteren Ansprüche 2 bis 7 gelöst.
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Hiernach sind zum Zweck der genannten Kommunikativen Verbindung der Schallsensoren mit der zentralen Verarbeitungseinheit den Loggern einzeln zugeordnete Transceiver vorgesehen, über die eine synchronisierte Ansteuerung der Logger in den Geräusch-Erfassungsbetrieb sowie eine Verarbeitung des zeitlichen Amplitudenverlaufs der Sensorsignale erfolgen kann, derart, dass die solchermaßen generierten Geräuschdaten einer korrelierenden Verarbeitung unterwerfbar sind.
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Die für eine korrelierende Verarbeitung der Sensorsignale erforderliche Synchronisierung des Schall-Erfassungsbetriebes der Sensoren und der Übertragung der Schalldaten zur Verarbeitungseinheit, die die korrelierende Verarbeitung vermittelt, ist gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messsystems durch gemeinsame Ansteuerung der Transceiver des Messsystems erreichbar, wie gemäß Anspruch 2 vorgesehen, welche in diesem Fall die Sensoren und deren Logger in den Empfangs- und Sendebetrieb steuern, wobei die Transceiver den Takt vorgeben, in dem die Logger Schallsignale erfassen bzw. senden. Alternativ hierzu kann eine Synchronisation auch dadurch erfolgen, dass gemäß Anspruch 3 die Synchronisierung der Sensoren und der Übertragung der Daten von den Akustikloggern zu den Transceiver und von diesen weiter zur Verarbeitungseinheit mittels von der Verarbeitungseinheit selbst generierter Steuersignale erfolgt.
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Hierdurch wird eine funktionsgerechte Synchronisierung auch dann gewährleistet, wenn der Synchronisierungstakt Schwankungen unterworfen ist.
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Eine zweckmäßige Art der Generierung von Signalen in Proportionalität zu dem jeweils lokalen Schallpegel kann, wie gemäß in Anspruch 4 vorgesehen, dadurch erfolgen, dass die Akustiklogger und die Transceiver auf die Generierung von Analogsignalen ausgelegt sind und. auch die Verarbeitungseinheit eine Korrelation von Analogsignalen durchführt, wodurch der Vorteil einer sehr raschen und zuverlässigen Auswertung erzielt wird.
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Für den Fall, dass die Auswertungseinheit als eine digital arbeitende Einheit realisiert ist, die z. B. mittels eines gängigen digitalen Rechners implementiert sein kann, kann die Generierung dafür geeigneter digitaler Schalldaten dadurch erfolgen, dass, wie gemäß Anspruch 5 vorgesehen, die Logger mit Analog-/Digital-Wandlern versehen sind, die maßwert charakteristische Signale in digitalem Format generieren können, oder dass, wie gemäß Anspruch 6 vorgesehen, die Logger Analogsignale liefern, die erst im Bereich der Transceiver mittels geeigneter Analog-/Digital-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden, die zur Verarbeitungseinheit hin drahtlos oder leitungsgebunden übertragbar sind.
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Für den Fall, dass die Akustik-Logger des Messsystems mit der Fähigkeit zur Generierung digitaler Signale implementiert sind, ist in zweckmäßiger Gestaltung des Systems vorgesehen, dass die Logger auch eine sogenannte Schnelle Folie-Transformation (FFT) ausführen können, die ein Frequenzspektrum der Schallsignale liefert, das insbesondere zur Erkennung eines eher kleinen Lecks geeignet sein kann.
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In üblicher Gestaltung der Logger haben diese eigene Taktgeber, welche mit der Taktfrequenz die Zeitbasis implementieren, über der die Signalpegel aufgetragen bzw. gespeichert werden. Jeder Logger arbeitet innerhalb einer „Eigen”-Zeit, die durch die Auslegung seines Taktgebers bestimmt ist. Dies führt auch bei identischer Konzeption der Logger zwangsläufig zu geringfügig verschiedenen Zeitskalen, da die Taktgeber nicht absolut identisch sein können und daher mit geringfügigen Frequenzabweichungen behaftet sind. Über längere Zeitspannen hinweg kann dies zu beträchtlichen Abweichungen der „Eigen”-Zeiten der Logger, ausgedrückt in der Anzahl von Taktimpulsen, die ab einem Anfangszeitpunkt erzeugt worden sind, unter den Loggern führen und demgemäß zu Ungenauigkeiten der als Laufzeitunterschiede von Geräuschpegel-Signalen ermittelten Zeitspannen und als Konsequenz hiervon zu erheblichen Abweichungen des z. B. in einem Korrelationsverfahren ermittelten Leckortes vom tatsächlichen Ort des Lecks.
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Die von derartigen – konventionellen – Logger gespeicherten Geräuschpegeldaten sind daher in der Regel nicht unmittelbar für eine korrelierende Verarbeitung geeignet.
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Eine korrelierende Verarbeitung ist jedoch bei der durch die Merkmale des Anspruchs 8 angegebenen Art der Betriebssteuerung des erfindungsgemäßen Messsystems auf einfache Weise möglich und kann, nachdem die Transceiver platziert sind, welche denjenigen Logger zugeordnet werden, welche durch ihre Signalvorverarbeitung auf die Wahrscheinlichkeit eines Lecks „Hinweissignale” generiert haben, zu einer gleichsam selbsttätig ablaufenden Auswertung im Sinne einer genauen Ortung des Lecks genutzt werden.
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Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Messsystems ergeben sich aus nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in einem typischen Einsatzfall zur Erkennung und Ortung eines Lecks in einem kommunalen Wasserversorgungsnetz und
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2 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur Erläuterung ihrer Funktion.
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Das in den 1 und 2 jeweils insgesamt mit 10 bezeichnete Messsystem ist für die Erkennung und Ortung von Lecks in einem insgesamt mit 11 bezeichneten kommunalen Trinkwasserversorgungsnetz gedacht, das in der 1 im Wesentlichen durch eine sich zwischen zwei Hydranten 12/l und 12/r erstreckende ”mittlere” Rohrleitung 13/m sowie von den Hydranten weiterführende Rohrleitungsabschnitte 13/l und 13/r repräsentiert ist, von denen jeweils nicht dargestellte Hausanschlussleitungen abzweigen, die einzeln gegen den jeweiligen Rohrleitungsabschnitten 13/l, 13/m bzw. 13/r abgesperrt werden können. In Verlaufsrichtung der Hauptleitungsrohre, d. h. der aufeinander folgenden Abschnitte 13/l, 13/m und 13/r des Trinkwasserversorgungsnetzes 11 gesehen, sind die Hydranten 12/l und 12/r in typischen Abständen zwischen 100 m und 300 m voneinander angeordnet.
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Die allgemein mit 12 bezeichneten Hydranten sind in der Regel in Schächten 14 angeordnet, die nach Abnahme von Schachtdeckeln 16 zur Entnahme großer Wassermengen, z. B. zu Löschzwecken, von oben her zugänglich sind. Sie werden auch zur permanenten oder zeitweisen Installation von Akustik-Loggern 17 genützt, die als Elemente des erfindungsgemäßen Messsystems 10 die Funktion von Schalldetektoren und diesen einzeln zugeordneter elektronischer Speicher vermitteln, mittels derer, einerseits, in einer definierten Zeitbeziehung zueinander stehende, den zeitlichen Verlauf von Leckgeräuschen repräsentierende Sätze von Schalldaten generiert und, andererseits, in der den zeitlichen Korrelation gespeichert werden können, so dass eine Auswertung dieser Daten nach dem bekannten Korrelationsverfahren erfolgen kann, das eine genaue Bestimmung des Orts eines Lecks 18 ermöglicht, das sich gemäß der Darstellung der 1 zwischen den beiden Hydranten 12/l und 12/r an dem ”mittleren” Rohrleitungsabschnitt 13/m befindet.
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Die Bestimmung des Leckorts xl als Abstand von der Mitte des leckbehafteten Rohrabschnitts 13/m, die von den Akustik-Loggern 17 jeweils den Abstand L/2 hat, wenn mit L der Abstand dieser beiden Datenlogger 17 voneinander bezeichnet wird, erfolgt hierbei aus dem Unterschied Δt der Schalllaufzeiten der Leckgeräusche nach denen die vom Leck ausgehenden ”kohärenten”, d. h. qualitativ mit demselben Amplitudenverlauf behafteten Schallsignale an den beiden im Abstand L voneinander angeordneten Akustik-Loggern eintreffen.
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Der solchermaßen definierte Leckort x
l ergibt sich dann durch Auswertung einer Beziehung der Form
xl = (L – Δt·c)/2, in der mit c die erforderlichenfalls experimentell zu bestimmende Schallgeschwindigkeit bezeichnet ist und mit Δt der genannte Laufzeitunterschied, der sich für den Fall ergibt, dass das Korrelationsintegral
einen Maximalwert annimmt, wobei mit A(t) jeweils die zeitlichen Amplitudenverläufe für gleiche Zeitspannen: (T
1 bis T
2) angegeben sind, und die Zeitverzögerung Δt so lange monoton varriert wird, bis das Integral seinen Maximalwert annimmt. Hierbei sind als Integrationsgrenzen T
1 und T
2 plausible Werte gewählt, für die sich gut auswertbare Werte des Integrals ergeben.
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Die in Datenspeichern der Akustiklogger 17 in der zeitlichen Folge ihrer Generierung gespeicherten und in dieser Ordnung auch auslesbaren Geräuschdaten werden über drahtlose Übertragungsstrecken zu einer insgesamt mit 20 bezeichneten Verarbeitungsstation (2) übertragen, an der sich eine den Mess- und Auswertungsbetrieb steuernden, lediglich schematisch angedeutete Steuereinheit 21 und ein hinsichtlich seiner Betriebsphasen ebenfalls von dieser gesteuerter Korrelater 22 befinden, der die korrelierende Verarbeitung der von den Akustikloggern 17 empfangenen Geräuschdaten vermittelt und die das Leck 18 charakterisierenden Abstandsdaten ermittelt.
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Die drahtlosen Übertragungsstrecken des Messsystems 10, über die der Datenverkehr von der Verarbeitungsstation 20 zu den Akustikloggern 17 und von diesen zur Verarbeitungsstation 20 erfolgt, umfassen den jeweiligen Akustikloggern 17 einzeln zugeordnete Transceiver 23, die bei der drahtlosen Übertragung, z. B. von Befehlssignalen, die von der Verarbeitungsstation ausgehen und den Betrieb der Akustiklogger sowie der Transceiver selbst steuern, gleichsam als Relais-Stationen dienen. Sie vermitteln diese Funktion auch bei der drahtlosen Übertragung von Datensignalen zu der Verarbeitungseinheit 20 hin, wobei diese Datensignale durch Verstärkung und erforderlichenfalls Formatwandlung von Datensignalen abgeleitet sind, welche von den Logger in deren Auslesebetrieb zu den Transceiver 23 gesendet werden.
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Die Transceiver 23 sind als bewegliche Geräte ausgebildet, die am Ort der Hydranten 12/l und 12/r so aufgestellt werden, dass sie die relativ schwachen Ausgangssignale der Sender, mit denen die Datenlogger 17 ausgerüstet sind, gut empfangen können.
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Diese Transceiver 23 sind mit Verstärkern ausgerüstet, die für die Datenübertragung zur zentralen Verarbeitungsstation 20 hin eine deutliche Anhebung der Sendeleistung und damit eine sichere Datenübertragung gewährleisten.
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Für den Fall, dass die von den Akustikloggern 17 ausgesendeten Akustik-Signale als Analogsignale anfallen, sind die Transceiver zweckmäßigerweise mit Analog-/Digital-Wandlern als Ausgangsstufen versehen, damit die Datensignale schon im digitalen Format dem in der Regel als digitaler Rechner ausgebildeten Korrelator 22 zugeleitet werden.
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Es versteht sich, dass die einzelnen Einheiten der Übertragungsstrecken mit bedarfsgerecht wirkenden Formatwandlern ausgerüstet sein sollten, um einen möglichst flexiblen Einsatz des erfindungsgemäßen Messsystems zu ermöglichen. Dank der Realisierung der Übertragungsstrecken mittels der Transceiver ist die elektrische Versorgung der Akustiklogger 17 problemlos durch Batterien vergleichsweise geringer Kapazität mit einer für den Messbetrieb gleichwohl hinreichenden Leistungsreserve möglich. Dank der mobilen Gestaltung der Transceiver 23 ist das Messsystem 10 rasch und mit nur geringer Mühe auf die anfallenden Leckortungsproblemstellungen einstellbar.
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Dies gilt insbesondere für eine spezielle Auslegung der Akustiklogger 17, in der diese eine Vorverarbeitung der von ihnen generierten Akustiksignale dahingehend vermitteln, dass diese Signale von Zeit zu Zeit von dem jeweiligen Logger selbst mit in vorausgegangenen Messzeitspannen ermittelten Akustiksignalen verglichen werden, und, falls sich hierbei eine signifikante Änderung der Schallpegelsignale im Sinne einer Vergrößerung der Signalpegel ergibt, dies schon zur Auslösung eines Leckhinweissignals führt, anhand dessen ein Anzeigesignal ausgelöst wird, das zum Anlass eines Leck-Such- und -Ortungsvorganges genommen werden kann.
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Hierbei können, eine geeignete Synchronisation des Geräuschsignal-Generierungsbetriebes der verschiedenen Akustiklogger 17 vorausgesetzt, von solchen schon vorher generierte Geräuschdatensätze für eine korrelierende Verarbeitung genutzt werden, die schon zu einer Leckortung führen kann.
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Die Korrelationsfähigkeit von Geräuschpegel-Daten, die von den Loggern 17 zum Zweck einer Leckortung im vorgenannten Sinne gespeichert werden, ist jedoch dadurch erzielbar, dass die Logger 17 von Zeit zu Zeit mittels eines unabhängigen Zeittaktgebers synchronisiert werden, auf dessen Zeitbasis auch die Auswertungseinheit 20 arbeitet.
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Dieser unabhängige Zeittaktgeber ist zweckmäßigerweise als Funktionseinheit im Bereich der Auswertungseinheit 20 realisiert.
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Das Synchronisieren des Auslesens der Geräuschpegeldaten aus den hierfür vorgesehenen Speichern der Logger, zum Zweck einer korrelierenden Verarbeitung der Geräuschdaten, erfolgt hierbei in der Weise, dass in die Logger-Daten (A(t)) Zeitmarken eingefügt werden, die von einem unabhängigen Taktgeber generiert werden, dessen Taktfrequenz, verglichen mit derjenigen der Taktfrequenzen der Logger 17, als stabil angesehen werden kann, dies jedenfalls in einer Zeitspanne, die um den Faktor 103 länger ist als die Zeitspanne, die für die Aufnahme einer Anzahl von Daten ausreichend ist, die eine genauer korrelierende Verarbeitung ermöglichen.
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Durch diese Zeitmarken, die von Logger zu Logger verschieden gesetzt werden können, ist in jedem Falle jedoch bei einem Auslesen der Loggerdaten die Information gegeben, zu welchem Zeitpunkt die nachfolgende Signalsequenz begonnen hat.
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Des Weiteren wird das Messsystem 10 so betrieben, dass das Auslesen der Schallpegel-Daten in demselben Zeittakt erfolgt, der auch die Zeitbasis für den Referenzzeitgeber bildet. Dadurch ist unmittelbar erkennbar, ob, und wenn ja, wie viel die Taktdifferenz des betrachteten Akustik-Loggers 17 höher oder niedriger ist als diejenige des Referenzzeittakts. Hiernach sind alle Informationen gegeben, die für einen Vergleich heranzuziehende Pegelsignale auf eine gemeinsame Zeitbasis umrechnen und auf der Basis des Referenzzeittakts miteinander korrelieren zu können.
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Hierzu wird das erfindungsgemäße Messsystem, gesteuert durch die Verarbeitungseinheit 20, in spezieller Vorgehensweise wie folgt betrieben: Sobald die in den Loggern erfolgende Vorauswertung mindestens zweier Logger das Vorhandensein eines Lecks erkennen lässt, werden bei diesen Loggern Transceiver platziert und von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 aus gemeinsam zur Aktivierung der zugeordneten Logger angesteuert, derart, dass diese nunmehr in einem Speichermodus arbeiten, der für die Korrelation geeignete Daten liefert.
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Im gegebenen Fall bedeutet dies, dass in Zeitspannen von jeweils ca. 60 s und mit einer Abtastrate von 1.000 Werten pro Sekunde Schallpegeldaten registriert und in den Logger in geordneter zeitlicher Folge gespeichert werden.
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Hierbei ist davon auszugehen, dass 60.000 Daten pro Logger für eine Korrelations-Auswertung genügen. Vorzugsweise werden solche Aufzeichnungen in „ruhigen” Nachtstunden durchgeführt. Derartige Aufzeichnungsphasen können in geeigneten Zeitabständen mehrfach durchgeführt werden, so dass eine entsprechende Vielzahl korrelationsfähiger Daten gleichsam automatisch generiert werden kann.
